能源地下结构与工程BIM 实验室建设与教学实践

孔纲强， 沈 扬， 丰土根， 崔春义， 姚 芬

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210024；2.大连海事大学交通运输工程学院，辽宁大连116026；3.采薇君华教育科技南通有限公司，江苏南通226000）

0 引 言

工程建设行业是高危行业，每年发生的安全事故仅次于煤炭行业；然而，高校教育教学中存在专业性的实训单位难找、实训成本高、实训实验室条件差等问题［1］。土木工程专业又具有突出的实践性和应用性特点，使得在教学过程中必须通过实习和实训，才能使学生将所学知识和技能掌握。缺少必要的实训软件和实践基地，将严重影响教学质量和学生的综合素质培养［2-4］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为工程建筑行业的一项新技术，近年来也逐渐应用到地下空间开发的可视化和交互式设计与施工中［5］。BIM技术在政府有关部门的推动下，设计与施工企业、高校、科研机构等逐渐开始应用BIM 技术并对其进行探索。精细化建筑工程信息化建设一体化实训BIM实验室，可以让学生在进行实际操作之前，先熟知操作方法和工艺步骤，提高学生面向真实工程项目的信心，降低出错率、保障学生安全［6-7］。基于BIM技术的实验室，不受场地和时间的限制，能够帮助学生较系统地进行学习，对于学校而言能有效降低育人成本，这是土木工程等相关专业教育发展的趋势［8-9］。

因此，基于BIM技术的构建了工程虚拟仿真实验室，并将其应用于新兴能源地下结构与工程专业分支实践课程教学。为满足高等教育新工科建设中的相关培养要求，革新传统教学方式、拓宽学生的知识面、提高土木工程等相关专业人才的综合素质提供技术支撑。

1 建设BIM实验室的必要性

1.1 能源地下结构与工程

“十三五”规划中明确指出，要加强浅层地温能、地下空间的开发利用，地下空间开发与利用更是上升到国家战略需求层面；能源地下结构，是将地下结构（桩基、隧道等）与浅层地温能开发与利用有机结合在一起的新型技术（见图1）［10］；具有提供支撑荷载和浅层地温能传递双重功能［11-12］；不仅需要进行结构安全性能设计、而且需要进行能量供给与利用设计（包括热泵设备、热需求量等）；同时循环温度作用导致地下结构热应力和变形。地下结构力学特性、浅层地温能传热特性分属于土木工程和建筑暖通等两个不同专业。因此，开展基于BIM技术的能源地下结构与工程实验室建设与教学实践显得非常迫切。

图1 能源地下结构［10］

1.2 传统地下结构专业方向教学的不足

目前传统的地下结构专业方向教学往往采用课堂讲授和课外实践相结合的方法；这种方法存在着诸多不足：

（1）教学过程中课时设置相对不够完善，课堂理论知识教授学时相对偏多、课外实践实训时间相对不足。

（2）理论知识讲授与实践实训时间脱节；学生因缺乏实践经验对教师的讲授内容不易理解，兴趣缺乏；因实习时间的限制或工程进展，学生无法参与整个工程建设。

（3）校内实验室实训功能与校外工地实训培养互补性不够；校内实验室配套软硬件设施不足，校外实训过程只能观察到具体某一个时段的施工过程，无法参与施工方案设计等全过程，无法达到对学生全过程、全方位的培养目标。

（4）教育教学考核形式单一，理论知识点死记硬背式的考试考核、课程设计草草了事和现场实习走马观花，不足以良好地考核学生的创新能力。

因此，建设能源地下结构与工程一体化实训实验室，以虚拟项目任务驱动教学，以BIM平台辅助，加以能源地下结构教学演示模型，充实工程施工课程的知识要点，改进教学方法，打破以往“先教后学”的模式，激发学生的自主学习意识，实现课堂部分翻转，并通过网络教学平台检验教学效果、收集反馈意见，不断改进与提高。

1.3 能源地下结构与工程BIM实验室建设目的

借助虚实结合技术、依托仿真实训的“理虚实做”一体化模式，建立能源地下结构施工技术规划、有限元模拟、设计理论、BIM技术及其应用，研发一种信息化、一体化能源地下结构教育系统，积极响应教育部行动方案，从国家战略的高度、行业发展的趋势、企业实际需求的角度出发，培养懂理论、能实践的高素质学生，建设基于BIM平台的虚拟仿真实验室，最终解决能源地下结构建筑产业人才培养薄弱、专业人才培养不足的问题。为教学工作的开展提供一个良好的基础，提高学生创新创业及设计大赛等方面竞争力，为国家的土木工程事业的发展培养输送源源不断的人才。

积极寻求教学内容创新和课程体系改革，不断探索新的教学方法，以能源地下结构教学演示模型为依托，借助BIM技术与实体教学模型联动应用，着力于研究能源地下结构施工技术规划、有限元模拟、设计理论、BIM 技术及其应用、实践基地建设的相关问题，着力建设基于BIM平台的虚拟仿真实验室。

2 能源地下结构与工程BIM实验室建设内容

2.1 建立仿真模拟模型

以BIM技术为核心，建立BIM 模型、力学仿真分析、施工全过程模拟与成本控制的有效结合。

（1）建立有限元分析模型。在物理模型试验中，很多地方无法达到理想状态，如对换热管接头与弯度等。因而，按照物理试验模型参数进行有限元模型的建立并对其进行数值分析是有必要的。在模拟中，建立能源地下结构的Abaqus模型和Comsol模型进行分析（见图2）。

图2 能量桩有限元模型图［12］（m）

利用软件可对能源地下结构模型进行水化热分析、热力学特性分析。对能源地下结构模型进行准确的分析和设计，为后期对能源地下结构模型的整体优化提供了便利。一方面用于本科生的学习，另一方面运用于科研工作。有限元模型与实体能源地下结构模型进行多方面对比学习，培养学生自主探究的能力。为大学生创新创业训练计划和专业技能等级大赛等提供基础。

（2）建立可视化施工控制应用实践框架。①以能量桩模型设计CAD 图形为基础，采用Revit 软件分别建立与能量桩各构件相对应的核心构件族库，再根据各构件的平面坐标及空间关系修改参数后拼组形成建筑桩基础的核心BIM 模型。②确定能量桩所受到的荷载组合与初始应力，方便下一步对能量桩模型进行结构分析，荷载具体包括上部建筑荷载、温度荷载。③基于BIM模型的坐标参数，在Abaqus中建立模型，并用未知反力荷载系数法求出在自重状态下能量桩的应力，进行整体结构分析。④施工全过程模拟，将BIM模型导入Navisworks 软件中，利用Timeliner 与视点命令将模型构件与时间维度相和空间视点关联，实现施工过程的4D模拟。⑤成本控制，利用Revit软件中的统计明细表命令确定施工的方法与施工量，对能量桩进行成本分析。

2.2 建设虚拟现实交互式仿真模拟实训实验平台

（1）实验平台的建设。虚拟实验室是指由虚拟现实技术生成的虚拟实验系统，包括实验室环境、实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。利用虚拟现实（VR）技术，建立能源地下结构与工程虚拟实验室，为本科生进实验室、大学生创新创业训练工作的开展提供良好的基础。

虚拟实验室的功能主要包括：①学习目标明确，能够很好地契合教学课程体系的改革方案。②以专业知识为基础，以工程实际为背景，结合实际工程对能源地下结构进行讲解，包括设计图纸、施工方案、工程规范、施工图片以及施工视频等。③对能源地下结构进行模型化，提取出其主体结构，建立虚拟实训模块，能够模拟能源地下结构各部分结构的施工过程，展示工程材料和机械设备。④对能源地下结构的各主体结构进行详尽的介绍，主要包括设计原理、受力原则、施工过程、结构形式等方面。⑤能够与虚拟仿真技术结合，在虚拟实验室中可以展现有限元相关知识，并且可以展现各种虚拟仿真的场景。例如，可以展现基于能量桩桥面除冰的动画过程和虚拟仿真结果，将生活实际与虚拟仿真相结合（见图3）。

图3 能量桩桥面除冰融雪系统BIM模型图

（2）虚拟实训基地的建设。随着科技的进步，新设备、新网络等不断涌现；物理实验室往往无法随时更新新产品、淘汰近期购置的产品，从而限制新技术的教学与传播。BIM虚拟实验室则不同，可以通过软件的更新来弥补这一问题；既省钱又省事，还能让学生及时学习到最新知识和技能。虚拟现实可以使学生在虚拟学习环境中扮演角色，有利于学生各种技能训练。可以反复操作控制设备，学习在生产过程中的各个环节，通过反复训练，达到熟练掌握技术目的。

2.3 建立能源地下结构实验模型与实践基地

依托能源岩土国际合作联合研究中心，建立能源地下结构实验模型基地，供学生参观学习、实践操作、以及创新训练。学习西方先进技术和理念，提升实验模型基点品位；结合“一带一路”项目，积极输入智力和技术。通过校企合作，进一步挖掘实验室模型的潜力，充分利用实验模型，有力地支持本科教学和科研工作。

3 BIM在能源地下结构与工程中的教学实践

BIM实验室以计算机、互联网＋等硬件环境为依托，绘图软件（AutoCAD 等）、虚拟现实系统（VR）、增强现实系统（AR）和混合现实系统（MR）等软件运用为载体，教学师资终生培训为保障，开设能源地下结构与工程实践课程教学。依托能源地下结构与工程BIM实验室，将BIM 技术引入课程教学与工程实践，为进一步推进结合课程有效使用实训设备打下坚实的基础。

3.1 创建“电子工地”与“智慧工地”

BIM实验室收集整理工程建筑行业获得的代表性工程案例资料，根据课程教学需求进行筛选，并基于Autodesk Civil 3D软件等进行三维地层、地下结构模型构建；从项目规划、建筑设计、结构设计、施工组织、机电安装、装修装饰等方面全过程进行模拟控制；依托高校强大的科研实力，基于Abaqus等有限元软件，建立能源地下结构热力耦合特性数值分析模型。

通过与企业合作，利用企业在BIM 技术方面的优势，联合制定虚拟仿真教学内容和教学计划安排，契合企业对BIM人才的技能需求。

3.2 实践教学形式与内容

基于BIM技术应用，整合土木工程和建筑暖通两个专业中的专业知识模板，形成以BIM为主线的教学体系，以满足能源地下结构与工程中受力、换热两大块内容的设计需求。制定符合本专业学生培养的BIM实践教学内容与形式：

（1）BIM理论知识课堂教学与实验案例教学相结合。BIM理论知识主要包括原理、理论架构体系、专业建模技术以及应用。以案例分析为依托，开展实践实验教学。

（2）联合BIM 领域国内外专家、知名企业，开展BIM短期实训、前沿技术讲座以及学术沙龙等活动。拓展师生知识面、启发学生的思考、激励学习和应用兴趣。

（3）以赛促学，积极组织参加BIM 技术应用相关国内外赛事。通过专业性赛事，促使学生了解国内外相关研究进展，激发探索未知的好奇心，从而提升理论知识水平和实践解决问题的创新能力。

（4）课程采用“1 ＋1 ＋1”授课、考核、实践三者结合的教学模式，将该课程与创新型教学方案联为一体，真正实现将课堂还给学生，把教学用于实际的现代化教学理念。授课采用“虚实结合”的方法，提高学习效率、提升教学水平、节约教学资源；考核采用传统答卷考核与课程设计结合的方案，理论与操作双重考核，符合软件教学特点，利于软件教学开展；在实践上，将该课程与毕业设计牢牢挂钩，达到学有所用、学有所长、学以致用的目的，让学生带着目的去学习，有效提升了学生学习的积极性。

3.3 完善课程教学大纲、优化师资力量

通过不断教学探索与实践，编制能源地下结构与工程实践课程大纲和BIM操作指南，方便学生尽快掌握相关实际操作、提高课堂教学效率。教学大纲不仅体现标准化、模块化，而且强调探索性和可拓展性；以适应培养不同基础和能力的学生。从土木工程软件应用与实践、施工组织和能源地下结构施工技术入手，逐步在课程中融合BIM 技术。BIM 实验室设置专职教师岗位，强化任课教师的知识更新和培训工作。

3.4 校企合作共建校外BIM实践教学平台

基于对国内外BIM 领域人才培养问题的长期调研，与BIM在全生命周期中各主要方向的龙头企业、教育先行单位、国内外专家携手，共同打造出了集BIM专业领域知识转移、BIM教育资源整合、BIM教学培训支持、BIM人才职场支持和人才能力评估五大功能为一体的BIM教育院校支持平台，平台将BIM领域的知识、专家、课程、服务和评估五大体系科学融合，将BIM

领域的产教融合落到了实处，带进院校。利用龙头企业在BIM技术、软硬件条件以及实际工程案例优势，拓宽实践教学资源。联合龙头企业成立协同创新中心或产业联盟，服务国家战略需求，不断增加BIM 人才的数量，提高BIM 人才的培养质量，培养出符合企业需求的BIM专业人才，为国家基础设施网络的构建贡献高技术人才。

4 特色与创新

4.1 开设交叉学科实践课程

能源地下结构与工程，涉及温度场、应力场和渗流场等THM多场耦合问题，是结构力学、流体力学、土力学、材料力学等多学科交叉。既是对学生多门专业基础课程学习的检验，又是多学科交叉融合的实践。该课程的开设对培养学生综合素质、提升就业竞争力大有裨益。

4.2 依托科研平台，提升实践教学水平

借助学校岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室为建立能源地下结构实验平台提供场地等条件，进行实验建设，完善实验室内容，配合学校的教学科研工作，采购相应的仪器设备，来完善能源地下结构的实验平台。

4.3 构建新工科校企多方协同育人平台

积极响应教育部的“产学合作、协同育人”的号召，努力探索产学研结合的新模式、深入教学内容和课程体系改革，不断探索新的教学方法，充分发挥校企合作优势，提高教育质量。构建新工科多企业参与的协同育人平台。积极调研国内相关制造商，组织专家组走访多家具有创新实践能力与技术的意向合作企业，并就合作意向及办学理念同选定企业进行磋商，旨在引进大型教学设备创新实践课程体系改革。同时，本专业充分调动学生主观能动性，完成多个由学生自主设计的本科教学创新实践试验活动，并结合学生实训状态、课程学习计划等讨论研究相关的实践试验教学。最终，在与企业合作的基础上完成协同育人平台的建设。由此实现校企协同育人的宗旨。

5 结 语

面向国家战略需求，融合地下空间开发与浅层地温能利用技术，能源地下结构方向未来大有可为；开设能源地下结构与工程BIM实践课程，提升学生综合素质迫在眉睫。在BIM 技术在工程建筑领域快速应用的前提下，行业对BIM 技术人才需求量逐年攀升，需要高校在教育教学、人才培养上适时调整，加强在BIM 技术理论知识和实践操作能力上的投入。建立能源地下结构BIM实验室，正逢时候；推进BIM 技术在课程体系中的实践应用，拓宽学生的知识面、提高学生的BIM技能，为我国实现“土木工程强国”提供人才支撑。